La vida a través del espejo|oႱɘqƨɘ...

12/12/2014 2 comentarios
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Determinados compuestos sólidos (llamados quirales) pueden organizarse de dos maneras diferentes, siendo uno el reflejo especular del otro (denominados cada uno de ellos enantiómeros). En principio, es esperable una cantidad igual de ambos enantiómeros en cualquier compuesto cristalizado (lo que se conoce como una mezcla racémica), pero la vida se empeña en romper esta norma y apostar por la homoquiralidad, donde una sola de las manos (otra denominación para los enantiómeros) es posible.

En esta entrada os contaré diversas implicaciones y aplicaciones de vivir en un mundo quiral.

Antes de que se acabe este Año Internacional de la Cristalografía, me gustaría transmitiros una curiosa aplicación de la Cristalografía que tiene implicaciones en aspectos tan aparentemente alejados de ella como son el origen de la vida, la farmacología y la búsqueda de vida extraterrestre.

Simetría quiral

Pocas cosas han despertado tanta curiosidad y fascinación en tantos campos tan diferentes como la simetría especular, uno de los elementos básicos de simetría, junto con ejes de rotación y centros de simetría.

 Elementos básicos de simetría, de izquierda a derecha, eje de rotación, plano de reflexión y centro de simetría. Figura tomanda de Bloss, F.D. (1994): Crystallography and Crystal chemistry. Mineralogical Society of America, 545 pp.

Desde las representaciones de nuestros antepasados de sus propias manos (objeto quiral por excelencia), hasta las Torres KIO, pasando por el mito de Narciso, la escritura de Leonardo, la filosofía natural de Kant, toda manifestación del intelecto humano parece estar reflejada en el espejo de la quiralidad.

Pero, a pesar de la posmoderna idea de que somos el ombligo del universo, el ser humano no tiene la exclusiva de la quiralidad. En la Naturaleza, esta propiedad se manifiesta de muy diversas maneras y a diferentes escalas: partículas subatómicas, moléculas orgánicas, minerales, conchas de caracoles y plantas trepadoras, por citar algunos ejemplos.

 Enredaderas que se arrollan hacia la derecha o hacia la izquierda, caracoles y bacterias son diferentes manifestaciones del fenómeno de la quiralidad. Fuente: Hegstrom, R.A. y Kondepudi, D.K. (1990) La quiralidad en el Universo. Investigación y Ciencia, Marzo 1990, 58-67.

Quiralidad orgánica

Aunque lo mío son los minerales (inorgánicos ellos), por una vez voy a centrarme en los compuestos orgánicos. De hecho, el arquetipo de molécula quiral es la que tiene como base un átomo de carbono en el que sus cuatro enlaces están ocupados por diferentes componentes.

 La molécula de la imagen (un aminoácido) admite dos configuraciones posibles alrededor del átomo de carbono que no se pueden superponer: una es el reflejo de la otra. Son quirales y cada una es un enantiómero (levógiro y dextrógiro).

Desde el punto de vista termodinámico, cada una de las manos (enantiómeros) de un compuesto quiral tiene las mismas probabilidades de formarse, dando lugar a soluciones con la mitad de moléculas levógiras (hacia la izquierda) y la otra mitad dextrógiras (hacia la derecha), lo que se llama una mezcla racémica.

Además las propiedades físico-químicas de cada enantiómero son exactamente iguales (al menos macroscópicamente), salvo cuando interaccionan con otras moléculas quirales (como os mostraré más adelante) o con un campo de fuerzas quiral (como por ejemplo la luz polarizada, esa que tan bien nos explicó Antonio Martínez Ron en #ÓrbitaLaika2).

Agregados de cristales de NaBrO3 observados con un microscopio de luz polarizada. Los oscuros corresponden a una mano y los claros a la otra. Fuente: Viedma et al. (2013). Angewandte Chemie International Edition, 52, 10545-10548. 

Homoquiralidad vital

Sin embargo, las moléculas más importantes que intervienen en los procesos biológicos suelen romper esta norma del fifty-fifty (llamada técnicamente regla de la paridad), favoreciendo una de las manos sobre la otra, lo que recibe el nombre de homoquiralidad (igual mano).

Tuve la oportunidad de experimentar en carne propia la homoquiralidad biológica hace unos años, mientras realizaba una estancia en la Universidad de Stanford. Y no es que estuviera realizando experimentos sobre ese tema; resulta que sufrí un accidente de bici que me dejó el brazo derecho inutilizado una temporada y me vi obligado valerme de mi brazo izquierdo para vivir (probad a escribir con vuestra mano mala, ya veréis).

Anécdotas aparte, en el mundo biomolecular, los compuestos homoquirales más conocidos son los aminoácidos (que son siempre levógiros) y los azúcares (que son dextrógiros).

Os recomiendo que leáis el artículo ¿Convivimos con organismos alienígenos? publicado en el número de febrero de 2009 de Investigación y Ciencia (tenéis el enlace al final de esta entrada) porque en él su autor Paul Davies expone de manera muy clara las diferentes ideas que existen sobre la relación entre homoquiralidad y vida (y cuál fue antes).

Y un aviso a navegantes (a navegantes espaciales): en nuestra búsqueda de vida fuera de la Tierra, lo importante no es encontrar moléculas orgánicas; ya que la vida tiene tanta querencia por una de las manos, lo que hay que hacer es buscar moléculas orgánicas homoquirales.

Fisiología humana y quiralidad

Puede parecer un simple capricho, pero la homoquiralidad tiene una función muy importante en la transmisión de información biológica al juntarse dos moléculas que tengan una determinada quiralidad. Y el ser humano es especialmente sensible a la diferente quiralidad.

Un caso curioso es el del olor de ciertas frutas y ciertos compuestos orgánicos. La molécula que da olor a naranjas pinos y limones es exactamente la misma (limoneno), la diferencia estriba en su quiralidad: el limoneno dextrógiro huele a naranja pino y el levógiro a limón. (corregido el error por recomendación de Fernando Gomollón) 

 Cada enantiómero de la molécula del limoneno reacciona de manera diferente con nuestros órganos olfativos. El diestro nos huele a naranja, el siniestro a limón. Imagen cedida por Cristóbal Viedma (ligeramente modificada gracias a la puntualización de Fernando Gomollón Bel).

Un trágico ejemplo de sensibilidad a los diferentes enantiómeros es el caso de la talidomida, del que hace poco hemos vuelto a oír hablar en las noticias (y no para bien, desgraciadamente).

Al parecer, ese medicamento se usaba en Estados Unidos y Europa pero, mientras en el primer caso los laboratorios sintetizaban el enantiómero dextrógiro, que suprime el mareo matinal de las mujeres embarazadas, en Europa se estaba sintetizando el enantiómero levógiro, que provocó graves defectos de nacimiento.

Desde entonces, se ha impuesto una estricta regulación para controlar la mano de los compuestos activos quirales de los nuevos fármacos y uno de los principales objetivos de las empresas farmacéuticas es el de obtener compuestos activos homoquirales (y de la mano correcta).

Para lograr esta "resolución de enantiómeros" (conseguir una sola mano) existen diversos métodos. El clásico es el llamado "Pinza de Pasteur" (Pasteur's tweezers), que fue el primero en describir este fenómeno. Otros métodos de resolución parten de una solución enriquecida en una de las manos y se espera que el otro enantiómero "se convierta", en un proceso alejado del equilibrio químico. La baja efectividad y complejidad de este método es una de las razones por las que los medicamentos son caros.

Serendipia

A veces la casualidad tiene consecuencias totalmente inesperadas.

Un colega de mi Facultad, Cristóbal Viedma, decidió realizar un experimento a largo plazo (de aquí a unos 20 años, pensaba él). Quería saber cómo evoluciona una solución racémica de clorato de sodio (NaClO3) en condiciones de equilibrio. Para ello, colocó dicha solución en 10 matraces con unos agitadores magnéticos para mantener la solución en movimiento.

A los pocos días, decidió echar un vistazo al resultado y descubrió que, en uno de los matraces, la solución había dejado de ser una mezcla racémica y solo había cristales de una mano. Ciertamente, eso era imposible así que repitió la prueba varias veces.

Pero el resultado era el mismo una y otra vez. En ese matraz, la solución evolucionaba desde el equilibrio a un enantiómero puro, a una sola mano, en un proceso que se conoce como desracemización.

 Arriba, todos los matraces contienen en principio una mezcla racémica de clorato de sodio. Abajo, a los poco días, el octavo matraz se empecinaba en irse a una sola mano.

Se dio cuenta de que la diferencia estaba en los agitadores magnéticos, que en todos los matraces eran lisos, menos en el matraz díscolo, donde tenía un pequeño anillo central.

 Agitadores usados en el experimento. A la izquierda, liso, sin efecto alguno. A la derecha, agitador con un anillo central que acabó provocando la homoquiralidad en la solución. La suerte adopta formas caprichosas.

Al parecer, el efecto de molino de ese anillo central daba lugar a un proceso dinámico de disolución/cristalización cuyo resultado el cambio de quiralidad hacia una sola mano.

Así, de manera absolutamente casual, dio con la piedra filosofal con la que todas las empresas farmacéuticas soñaban: la desracemización 100 % efectiva (y barata).

Como todas las ideas geniales, al principio nadie le creía: ¡cómo un vulgar geólogo iba a descubrir el método más original para conseguir compuestos enantiómeros puros desde las míticas pinzas del gran Pasteur! (como más tarde reconocería la mismísima revista Nature). La casta científica rugía enfervorizada: ¡ANATEMA!

El artículo donde mostraba ese proceso fue rechazado por las revistas más importantes (incluida Nature, aunque luego reconocieron su mérito). Afortunadamente, el editor de una de ellas aceptó el reto lanzado por Cristóbal: es un sencillo experimento, hazlo tú mismo y me cuentas si te sale tan mal como a mí.

Su artículo salió finalmente publicado en Physical Review Letters en el año 2005.

Por alguna misteriosa razón (que Cristóbal no me quiso contar en las conversaciones que mantuve con él para documentarme sobre el tema) este método (que ya ha sido bautizado por la comunidad científica como Viedma ripening) no fue patentado aquí, sino por una empresa holandesa que está ganando (y haciendo ganar a las farmacéuticas) miles de millones de dólares.

Pero este método no funciona en todos los casos (ni tampoco se conocen las causas últimas que lo provocan). En el momento actual, se están desarrollando nuevas metodologías basadas en el Viedma ripening para conseguir los mismos resultados en más compuestos orgánicos.

Las implicaciones de estos futuros descubrimientos seguro que nos arrojarán miríadas de fotones sobre las condiciones en las que surgió la vida en nuestro planeta y la búsqueda de vida extraterrestre.